이 시간에는 제한적인 배터리 광물을 대체할 물질로 각광받고 있는 세포룰로스, 탄소나노뉴브 섬유, 마그네슘, 리튬 - 공기배터리에 대해 알아보도록 하겠습니다.
배터리는 우리의 일상생활에서 필수적인 역할을 하고 있습니다. 스마트폰, 노트북, 전기차 등 다양한 전자기기에 쓰이는 배터리는 우리에게 편리함과 효율성을 제공합니다. 하지만 배터리를 만드는 데 필요한 광물은 지구의 한정된 자원이며, 채굴과정에서 환경오염과 인권침해 등의 문제가 발생합니다. 또한 배터리는 사용 후 폐기하면 유해한 화학물질이 토양과 물에 침투하여 생태계에 영향을 줍니다. 이러한 배터리의 문제점을 해결하기 위해, 과학자들은 배터리 광물을 대체할 수 있는 물질을 개발하고 있습니다.
세포룰로스
세포룰로스는 식물의 세포벽에 있는 유기물질로, 펄프나 종이 등에 널리 사용됩니다. 세포룰로스는 재생 가능하고 생분해성이며, CO2를 흡수하는 등 환경에 유익합니다. 세포룰로스는 전기적으로 절연되어 있지만, 화학적으로 처리하면 전도성을 갖게 할 수 있습니다.
식물 세포벽에서 추출한 세포룰로스라는 물질을 이용하여 친환경적이고 재생가능한 배터리를 만들었다는 연구결과가 발표되었습니다. 예를 들어, 한국과학기술연구원(KIST)의 연구팀은 세포룰로스를 이용해 리튬이온 배터리의 음극재를 만들었습니다. 세포룰로스를 화학적으로 변형하여 리튬과 결합할 수 있는 기능성 그룹을 도입하고, 탄소화하여 전도성을 부여한 후, 리튬과 함께 열처리하여 음극재를 제조했습니다. 이 음극재는 기존의 금속 음극재보다 용량과 안정성이 뛰어나며, 가격도 저렴합니다. 세포룰로스는 식물의 구조를 유지하고 강화하는 성분으로, 나무나 종이 등에 많이 포함되어 있습니다. 세포룰로스를 전기전도성 잉크와 혼합하여 얇고 유연한 필름을 만들고, 이를 적층하여 배터리를 구성하였습니다. 이렇게 만든 배터리는 기존의 리튬이온 배터리보다 가볍고 저렴하며, 충전과 방전이 빠르고 안정적입니다. 또한 세포룰로스는 생분해성이므로 사용 후 폐기해도 환경에 해를 끼치지 않습니다.
세포룰로스 배터리는 아직 상용화되지 않았으나, 앞으로 다양한 분야에서 활용될 가능성이 높습니다. 특히 휴대용 전자기기나 웨어러블 기기 등에 적합할 것으로 예상됩니다. 세포룰로스 배터리는 배터리 광물을 대체할 수 있는 물질로서, 우리의 에너지 문제와 환경 문제에 기여할 수 있을 것입니다.
탄소나노튜브 섬유
탄소나노튜브 섬유는 탄소 원자들이 나노미터 크기의 튜브 형태로 연결된 소재로, 강도와 전도성이 매우 뛰어난 특징을 가지고 있습니다. 이 소재는 배터리의 용량과 수명, 충전 속도를 향상시킬 수 있으며, 굽힘과 충격에도 강하여 다양한 분야에 적용할 수 있습니다.
한국재료연구원의 김태훈 선임연구원은 세계 최초로 다기능성 탄소나노튜브 섬유를 개발했습니다 . 이 섬유는 메탄과 수소, 철을 1200도 온도에 반응시켜 실처럼 뽑아내고, 에너지 저장 기능을 가진 다공성 탄소를 붙여 굽습니다. 그리고 전해질 코팅을 해 섬유들을 합치면 고강도에 높은 에너지 저장 능력을 갖춘 꿈의 소재가 완성됩니다. 이 섬유는 3mm 두께의 가느다란 실처럼 보이지만 10kg짜리 바벨 원판은 물론, 최대 40kg 무게도 버틸 수 있습니다. 그 상태로 전구에 불이 들어와 전도도가 우수한 것을 확인할 수 있습니다. 이 소재는 1분 내에 초급속 충전을 하고 저장된 에너지를 순식간에 뿜어낼 수 있어 '꿈의 소재'로 불립니다. 10만 번 이상 굽힘 테스트에도 끄떡없어, 상용화된다면 궁극적으로 전기차나 드론 등의 외장재가 배터리를 대신할 수도 있습니다. 또한 방탄복과 초경량 복합소재 등에 활용하는 후속 연구 등도 진행하고 있습니다. 이번 연구결과는 세계적 학술지인 사이언스 어드밴시스지에 게재되었습니다.
탄소나노튜브 섬유 외에도 다른 나노 기술들이 배터리 분야에서 활용되고 있습니다. 예를 들어 제이오는 독자적인 탄소나노튜브(CNT)를 개발하여 리튬 배터리 에너지 용량과 충전 속도를 10% 개선하는 동시에 전기차 배터리용 양극 및 음극재에 적용 가능한 것으로 밝혔습니다.
마그네슘
마그네슘은 차세대 배터리 소재로 주목받고 있는 원소입니다. 마그네슘은 리튬과 화학적 성질이 비슷하면서도 리튬보다 자원량이 더 풍부하고 재활용하기 쉽다는 장점이 있습니다. 또한 마그네슘은 각 원자가 2개의 전자를 방출할 수 있어서 리튬보다 더 많은 전기 에너지를 전달할 수 있습니다. 이러한 특징은 마그네슘 배터리가 기존의 리튬 이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도, 더 큰 안정성, 더 낮은 비용을 가질 수 있음을 의미합니다. 마그네슘 배터리의 연구는 아직 초기 단계에 있습니다. 마그네슘은 리튬보다 더 큰 원자 반경을 가지고 있어서 일반적인 전극 소재와 호환되지 않습니다. 따라서 새로운 전극 소재와 전해질을 개발해야 합니다. 또한 마그네슘은 공기와 쉽게 반응하여 산화되기 때문에 보호막이 필요합니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 과학자들은 다양한 방법을 시도하고 있습니다. 마그네슘 배터리의 잠재력은 매우 큽니다. 만약 상용화된다면, 보다 효율적인 배터리 생산을 기대할 수 있습니다. 마그네슘 배터리는 환경에도 덜 해로운 배터리로, 기후 변화를 완화하는데 도움이 될 수 있습니다. 마그네슘 배터리는 현재의 배터리 기술을 혁신할 수 있는 가능성을 가진 소재입니다.
리튬-공기 배터리
리튬-공기 배터리는 리튬 음극과 공기 중의 산소 양극을 이용해 전기화학 반응을 일으키는 차세대 배터리입니다. 리튬-이온 배터리보다 에너지 밀도가 약 10배 높아서 전기차, 드론 등의 주행거리를 크게 늘릴 수 있습니다. 또한 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 친환경적이고 가벼운 장점이 있습니다. 하지만 리튬-공기 배터리는 아직 상용화되지 않은 기술로, 여러 가지 문제점을 해결해야 합니다. 예를 들어, 배터리 구동 시 과전압이 발생해 수명이 짧아지고, 공기 중의 수분과 이산화탄소가 산소 환원 반응을 방해하며, 충전과 방전 사이에 발생하는 리튬과산화물(Li2O2)가 전극 표면에 쌓여서 내부 저항을 증가시킵니다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 연구자들은 다양한 방법을 모색하고 있습니다. 예를 들어, 촉매를 개발하여 과전압을 낮추고, 전해질을 개선하여 수분과 이산화탄소의 영향을 줄이고, 전극 구조를 최적화하여 리튬과산화물의 생성과 제거를 용이하게 하는 등의 연구가 진행되고 있습니다.
댓글